基于PLC的冲压工件位置翻转系统设计说明书

PLC技术应用项目说明书基于PLC的冲压工件位置翻转系统设计学院机械工程学院专业机械电子工程班级2012级机电2班学生姓名李进辉指导老师徐文斌2015年10月30日课程设计任务书兹发给2012级机电2班学生李进辉课程设计任务书，内容如下：设计题目：基于PLC冲压工件位置翻转设计应完成的项目：（1）选题的背景和意义；（2）明确设计任务，拟定总体设计方案（3）硬件设计，传感器、PLC（和电机）选型，设计信号采集、转换电路，画出PLC端口分配图、接线控制端子连接图；（4）软件设计，编写控制程序流程图（或重要程序）（5）课程设计说明书1份。参考资料以及说明：[1]方承远、张振国.工厂电气控制技术[M].北京机械工业出版社2006

[2]汤自春.PLC原理与应用技术[M].北京高等教育出版社2006.

[3]李光飞.PLC课程设计实例指导[M].北京北京航空航天大学出版社2004.

[4]孔凡才自动控制原理与系统[M].北京机械工业出版社2007

[5]张万忠.可编程控制器应用技术[M].北京化学工业出版社2005.本设计任务书于2015年10月12日发出，应于2015年10月30日前完成，然后进行答辩。指导教师签发2015年10月30日

课程设计评语：课程设计总评成绩：指导教师签字：年月日目录TOC\o"1-3"\h\z第一章绪论 21.1课题设计背景 21.2课题设计内容 21.3课题设计意义 3第二章系统总体设计方案 42.1总体方案 42.2执行机构 42.3驱动系统 52.4控制系统 52.5位置检测装置 6第三章执行机构的设计 73.1整体机构设计 73.2手部设计 93.3手腕设计 103.4手臂设计 11第四章设备的选型 124.1驱动设备的选型 124.2传感器的选型 12第五章控制系统硬件设计 145.1PLC工作原理 145.2PLC系统选型 145.3系统I/O分配表 155.4PLC程序设计 165.5程序编程 175.6人机界面设置 195.7触摸屏界面设计 20小结 22参考文献 23

摘要本文在此介绍一种采用可编程控制器PLC，其电路结构简单、投资少、自动化程度高、还具有在线修改功能，灵活性强。介绍它的机构和PLC控制的特点及国内外的发展状况，对机械手进行总体方案设计，确定机械手的座标型式和自由度，确定机械手的技术参数，设计机械手的手臂结构，设计出机械手的气动系统，绘制机械手气压系统工作原理图。本课题主要设计冲压工件位置翻转机构制系统中的位置翻转控制，系统的梯形图程序，需根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个翻转控制系统设计的核心工作也是课题的重难点。系统多用于实际工业生产系统中。关键词：PLC、冲压工件翻转、自动化控制

第一章绪论1.1课题设计背景在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。。

由于计算机网络技术和集成电路的迅速发展，PLC向小型化、微型化和高速化发展。在应用中，PLC可与上位机联网，也可下挂PLC，组成分布式控制系统。PLC已广泛应用于冶金、电力、石油、化工、建材、机械、轻工、食品、市政、交通和军工等行业。

PLC的应用是基于其以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点。因而在制造、冶金、能源、交通、化工、电力等领域有着广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。根据这些特点，可将其应用形式归纳为以下几种：开关量逻辑控制、模拟量控制、过程控制、定时和计数控制、顺序控制、数据处理、通信和联网。1.2课题设计内容实现100*200*2（2mm厚）的不锈钢工件的翻转1、PLC（或其他）编程2、工件翻转机构设计3、位置传感器、行程开关选型4、操作面板设计（触摸屏、文本显示、按钮）1.3课题设计意义可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。位置翻转控制要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过PLC对程序设计，提高了翻转的控制水平。因此PLC在位置翻转控制系统中的应用非常广泛，非常有实际价值。第二章系统总体设计方案2.1总体方案位置检测装置位置检测装置执行机构驱动系统执行机构驱动系统控制系统控制系统腰部底部手部手臂腰部底部手部手臂图2-1总体方设计框图机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令。2.2执行机构1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。4、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。2.3驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。2.4控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。2.5位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

第三章执行机构的设计整体机构设计常用工业机械手按驱动方式分:直角座标式、圆柱座标式、球座标式、多关节式几种类型，如图3.1所示。其中直角座标式手臂可沿X、Y、Z座标轴作直线移动，即伸缩、升降和横移。其特点是直观性好，所占空间位置大。根据设计任务所需，特选定为直角座标式。图该机械手具有3个自由度，即：手指张合；手腕回转；手臂升降3个主要运动。根据以上参数，图3.2是机械手整体结构示意图。手部设计手部主要有以下几类：手指式、吸盘式、磁吸式及其他形式。本设计抓取的零件为盘类零件，故选择二指式来实现对工件的抓放。手指式又可分为：平移式手指当手指夹持的工件直径变化时并不影响工件中心位置的改变，即定位误差为零。但平移式手指结构较复杂，体积大，要求加工精度高。显然本设计机械手不适合使用此方案。2）回转式手指当手指夹持不同直径的工件时则产生定位偏差。但回转式手指结构简单。综上，本机械手选择二指回转式手指手指张合采用齿轮齿条传动，结构简图如图3.3手腕设计腕部是连接手部和臂部的部件，腕部运动主要用于改变被夹工件的方位，它动作灵活，转动惯量小。本课题要求具有腕部回转这一自由度如图，可用具有一个回转自由度的摆动回转来实现所要求动作。图3.4手臂设计常见的手臂伸缩机构有以下几种：双导杆手臂伸缩机构。2)手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。3)双活塞杆液压岗结构。(2)手臂运动机构的选择综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构。第四章设备的选型4.1驱动设备的选型换向阀电磁换向阀是用电磁铁的推力来推动阀芯运动以变换气体流动方向的控制阀，简称电磁阀。电磁换向阀有滑阀和球阀两种结构，通常所说的电磁换向阀为滑阀结构，称球状或锥状阀芯的电磁换向阀为电磁换向座阀，也称电磁球阀。常用的换向阀阀芯在阀体内作往复滑动，成为滑阀。滑阀是一个有多段环形槽的圆柱体，其直径大的部分称凸肩,凸肩与阀体内孔相配合，阀体内孔中加工有若干段环形槽，阀体上有若干个与外部想通的油口，并与相应的环形槽相通。根据具体的工作及其原理选择二位五通电磁换向阀。节流阀节流阀的启闭件大多为圆锥流线型，通过它改变通道截面积而达到调节流量和压力。节流阀供在压力降极大的情况下作降低介质压力之用。介质在节流阀瓣和阀座之间流速很大，以致使这些零件表面很快损坏－即所谓汽蚀现象。为了尽是减少汽蚀影响，阀瓣采用耐汽蚀材料（合金钢制造）并制成顶尖角为140-180的流线型圆锥体，这还能使阀瓣能有较大的开启高度，一般不推荐在小缝隙下节流。综上所述，选择角式节流阀。动力机选择，该机械手在室内使用，固选用电动机较为方便且电机结构简单，价格便宜。4.2传感器的选型位置传感器可用来检测位置，反映某种状态的开关，和位移传感器不同，位置传感器有接触式和接近式两种。接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作，常见的有行程开关、二维矩阵式位置传感器等。行程开关结构简单、动作可靠、价格低廉。当某个物体在运动过程中，碰到行程开关时，其内部触头会动作，从而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z轴方向两端分别装有行程开关，则可以控制移动范围。二维矩阵式位置传感器安装于机械手掌内侧，用于检测自身与某个物体的接触位置。接近开关是指当物体与其接近到设定距离时就可以发出“动作”信号的开关，它无需和物体直接接触。接近开关有很多种类，主要有电磁式、光电式、差动变压器式、电涡流式、电容式、干簧管、霍尔式等。接近开关在数控机床上的应用主要是刀架选刀控制、工作台行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。根据实际情况所需，选择直动式行程开关。第五章控制系统硬件设计5.1PLC工作原理PLC是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理的基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，所以它属于串行工作方式。PLC工作的整个过程可分为三部分：第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定。系统通信参数配置及其他初始化处理等。第二部分是扫描过程。PLC上电处理阶段完成以后进入扫描工作过程。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码，当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便停止。PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称作扫描周期或工作周期。在一个扫描周期中，PLC一般将完成部分或全部的以下操作：读输入→处理通信请求→执行逻辑控制程序→写输出执行→CPU自诊断。PLC就是这样周而复始的循环这些动作过程一直到关机。当PLC上电后，处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，并不断循环重复下去。分析上述扫描过程，如果不考虑远程的服务要求，这样扫描过程就只有“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段了。这三个阶段是PLC工作过程的中心内容，也就是PLC的工作原理。5.2PLC系统选型PLC产品的种类繁多。PLC的型号不同，对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。μs应用指令：1.52至几百微秒，指令编程语言逻辑梯形图和指令清单使用步进梯形图能生成SFC类型程序程式容量8000步内置。5.3系统I/O分配表根据冲压工件翻转系统的控制要求，系统I/O分配表如表3.2所示。表3.2系统I/O分配表输入外设输出功能X0旋转初始位Y0左旋X1旋转极限位Y1右旋X2前限位Y2前升X3后限位Y3后缩X4夹紧极限位Y4夹紧X5松开极限位Y5放松X11按钮开关X12按钮开关X13按钮开关X14按钮开关5.4PLC程序设计首先，要定原点，让机械手处于原点的位置，然后根据工作要求运动（工作要求可以根据实际情况修改），最后回到原点根据冲压工件翻转的要求，机械手所需要完成的动作及工作流程如图5.1所示根据图的工作流程图，结合I/O分配表。首先，要定原点，让机械手处于原点的位置，然后根据工作要求运动（工作要求可以根据实际情况修改），最后回到原点机械手工作顺序功能图如图5.2。5.5程序编程如下图所示，X10为开机启动按钮，X11为急停按钮，X0-X5分别为各位置传感器，当开机按钮按下后，M10线圈得电并自锁，当检测在原点时其计时器开始计时，冲压工件开始进行翻转。如下图所示，当机械手到前极限位时，机械手停止向前运动，T2开始计时，T2闭合是机械手开始加紧，然后T3开始计时，机械手开始向后运动到极限位，开始翻转。5.6人机界面设置触摸屏的种类：电阻式触摸屏：电阻式触摸屏输入采用层状结构，通常用玻璃或有机玻璃作为基层，在其表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面经过硬化处理、光滑防刮的塑料。其表面也涂有一层ITO，在两层导电层之间用许多细小（小于1/1000英寸）的透明隔离点将它们隔开。当用手指接触屏幕时，两层ITO发生接触，电阻发生变化，控制器就根据检测到的电阻变化计算接触点的坐标，以获取用户输入点。电阻式触摸屏工作时对外界完全隔离，其优点是不怕灰尘和水汽，可以用任何物体来触摸，可以用来写字画画，因此它比较适合在工业控制领域及办公室内使用。电阻式触摸共同的缺点是，因为复合膜的外层采用塑胶材料，如果触摸时用力过大，或者尖锐的物体触摸，都很可能划伤整个触摸屏并导致其整体报废。电容式触摸屏：电容式触摸屏利用人体电流感应原理进行工作，电容式触摸屏是一块4层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO，最外层是一薄层矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作为工作面，4个角上引出4个电极，内层ITO为屏蔽层以保证良好的工作环境。当手指触摸在玻璃保护层上时，在用户和触摸屏表面与触摸屏表面开成个耦合电容，于是手指人接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别人触摸屏的四角上的电极中流出，并且经这4个电极的电流与手指到4个角的距离成正比，控制器通过对这个4个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。电容屏反光严重，且对各波长光的透光率不废均匀，导致屏幕出现色彩失真问题，光线在各层间反射，还造成图像字符模糊等不利影响。此外，用圈套面积导体物靠近电容屏，天还未触摸到时就能引起电容屏的误动作。电容屏在用不导电物体触摸时没有反应，就是因为增加了更为绝缘的介质。电容屏还有一些缺点，如漂移问题，当环境温度、湿度改变时，环境电场发生改变时，都会引起电容屏的飘移，造成不准确，电容屏漂移问题属于技术的先天不足，电容屏的漂移是累积的，在工作现场也经常需要校准。此外，理论上许多应该线性关系实际上却是非线性的。虽然电容触摸屏最外支的矽土层防护玻璃防刮擦性很好，但是只要被硬物敲击，都有可能破坏其表面形成小洞，并伤及ITO，导致电容屏不能再正常工作。3、表面声波式触摸屏：表面是超声波的一种，是在介质表面涂层传播的机械能量波。通过三角基座，可以做到定向、小角度的表面声波能量发射，表面声波性能稳定，易于分析、并且在横波传递过程中具有非常尖锐的频率特性，表面声波相关的理论研究、半导体材料、声导材料、检测技术等技术都已经相当成熟。表面声波式触摸屏具有清晰度较高，透光率好，高度耐久，抗刮伤性良好，反应灵敏，不受温度、温度等环境因素影响等优点，在公共场所使用较多。表面声波屏需要经常维护，因为灰尘、油污甚至饮料的液体沾染在屏的表面，都会阻塞触摸屏表面导波槽，使声波不能正常发射，或使波形改变而控制器无法正常识别，从而影响触摸屏的正常使用。用户需严格注意环境卫生，经常擦抹屏的表面，并定期作全面彻底擦除，以确保表面声波式触摸屏的使用寿命和精度。红外式触摸屏：红外式触摸屏是利用x、y方向上密布的红外线矩阵来检